MOCVD供应商关注新应用

行家说LED快讯 · 2020-02-21

几家设备制造商正在开发或扩大市场上的新型金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统,以期抓住舞台上下一波增长应用。

市场上的各种MOCVD设备供应商(即Aixtron,AMEC和Veeco)之间的竞争非常激烈。此外,MOCVD设备供应商正在寻求2020年的新增长,但商业环境仍然阴云密布。

MOCVD是用于制造激光器,LED,光电组件,功率/ RF设备和太阳能电池的关键系统之一。该技术已经投放市场了几年。基本上,MOCVD系统在器件表面上沉积薄单晶层。MOCVD通常用于在设备上沉积III-V化合物半导体材料,例如磷化铟(InP),砷化镓(GaAs)和氮化镓(GaN)。

MOCVD的最大市场是LED,但这一领域一直不景气。因此,供应商将精力集中在其他市场上。Veeco产品营销高级经理Ronald Arif说:“例如,面部识别的VCSEL热潮就来了。” “目前,我们正在寻找潜在的另一大繁荣。这主要用于miniLED和microLED。”

针对下一代显示器,microLED和miniLED都是当今发光二极管(LED)的较小版本。所有LED将电能转化为光。同时,垂直腔面发射激光器(VCSEL)启用了智能手机中的面部识别功能。面部识别功能可以检测手机的所有者并解锁。此外,MOCVD还使基于GaN的RF和功率半导体器件成为可能。

尽管有无数的增长动力,但MOCVD设备市场的情况好坏参半。在经历了2019年的放缓之后,MOCVD供应商正在寻求2020年的反弹,尽管复苏可能需要时间。Gartner分析师鲍勃·约翰逊(Bob Johnson)表示,MOCVD设备市场总额预计将在2020年达到4.45亿美元,低于2019年的4.65亿美元。

低迷的商业环境和其他因素正在影响MOCVD市场。MOCVD增长最快的细分市场是电力电子,VCSEL和相关产品。Stifel Nicolaus的分析师Patrick Ho说:“我估计这可能是2亿至2.5亿美元的市场。” “很难说它会增长多少,因为该行业仍在努力处理这个市场中的一些过剩库存。”

什么是MOCVD?MOCVD最初是由北美航空(Rockwell)于1968年发明的。早期的MOCVD工具是在内部制造的,用于在基板上生长III-V材料。

第一个商业化的MOCVD系统出现在1980年代。MOCVD已经发展成为市场上几种沉积技术之一。沉积是在表面上沉积一层材料或薄膜的过程。

市场上有几种沉积工具类型,每种都针对不同的应用。多年以来,芯片制造商一直在使用化学气相沉积(CVD)来制造晶圆厂中的逻辑和存储设备。在CVD中,气态前体化学物质流入包含硅晶片的处理室。这些前体在晶圆表面反应,形成所需的膜以及从腔室中除去的副产物。” Lam Research沉积小组技术总监Dennis Hausmann在博客中说。

物理气相沉积(PVD)是另一种在表面形成薄膜的工具。原子层沉积(ALD)是另一种技术,其中一次沉积一层材料。

MOCVD与其他沉积类型(如CVD)不同,可能并不为人所知或理解。CVD利用带有气源的反应器。相同的反应器可用于MOCVD,但MOCVD利用金属有机源。

简而言之,将晶圆装载到MOCVD系统中,然后将纯净气体注入反应器中。气流由化学前体组成,化学前体在反应器中分解。该反应使器件上的晶体层得以生长。有人将此过程称为外延,即在基板上沉积薄层。

MOCVD用于III-V材料。“如果您查看由MOCVD生成的主要材料系统,它们属于两类材料。一种是基于氮化镓的。Veeco的Arif解释说,这就是蓝宝石上的氮化镓,碳化硅上的氮化镓和硅上的氮化镓。

第二类属于磷化砷基团,其中包括GaAs和InP。“这是用于VCSEL和边缘发射激光器的。Mini和microLED是两者的结合。红色是磷化砷。蓝绿色是氮化镓。

每个MOCVD供应商都有不同的方法来启用系统中的增长过程。例如,Aixtron的MOCVD工具使用水平层流。

Veeco的MOCVD系统使用另一种称为TurboDisc的技术。在该系统中,晶圆正在高速旋转。TurboDisc在真空环境中结合了层状垂直气体注入和高速旋转盘,从而能够以良好的均匀性进行外延生长。

Veeco的最新系统称为Lumina MOCVD平台,包括两个模型。应用包括边缘发射激光器,mini / microLED和VCSEL。该工具能够在高达150mm的晶片上沉积磷化砷外延层。

Veeco的系统能够在同一平台上处理多个不同的应用程序。竞争对手Aixtron正在研究类似的系统。

从小到大LED所有这些都有很长的历史可以追溯到1962年,当时GE使用早期的外延工艺开发了第一个可见光谱LED。后来,MOCVD被用于制造LED。

LED是PN二极管,它将电能转换为光。LED具有不同的配置,例如单色和多色。RGB(红色,绿色,蓝色)LED是一种流行的类型。LED用于LCD显示器,广告牌,消费电子产品和固态照明中的背光。

LED在LED晶圆厂中制造。该工艺始于蓝宝石或碳化硅(SiC)衬底。使用MOCVD在衬底上沉积GaN。然后,该结构经历一系列图案化,沉积和蚀刻步骤。

LED的大热潮发生在2000年代,那时固态照明市场开始腾飞。LED灯泡之所以有吸引力,是因为它们比传统的白炽灯泡消耗更少的能量。

但是在此期间,许多中国的LED公司进入了市场,随后建立了太多的晶圆厂产能。到2010年,LED市场陷入供过于求的状态,LED价格暴跌。

当时,中国政府向中国的LED制造商发放了补贴,以购买MOCVD工具。LED供应商购买了太多的工具,也导致市场上的系统供过于求。

今天,中国的情况几乎相同。“中国的大量补贴导致了过多的LED产能积累。MOCVD市场目前处于GaN LED生产严重过剩的状况,” YoleDéveloppement分析师Amandine Pizzagalli表示。

在中国,商品LED业务由一家MOCVD供应商主导。Stifel Nicolaus'Ho表示:“商品蓝色LED市场已经被中国(即AMEC)所垄断,在可预见的未来这不太可能改变。”

尽管如此,除了LED以外,MOCVD还有一些新的且潜在的巨大机会。数十家公司正在研究两种相关技术,分别称为microLED和miniLED。苹果,Facebook,三星和台积电只是开发microLED的公司中的少数。

miniLED是传统LED的较小版本,尺寸范围从100μm以上。像LED一样,miniLED的目标是显示器中的背光。

仍在研发中的microLED是LED的微观版本。一个microLED的尺寸小于100μm,可能是传统LED的1/100。

MicroLED是自发光的,不需要背光。从理论上讲,与今天的显示器相比,使用microLED的显示器可提供更多的色彩和更高的亮度,并且功耗更低。

MicroLED适用于两种主要的显示类型。Aixtron总裁Bernd Schulte在最近的一次电话会议上说:“在microLED的开发领域,我们看到行业在microLED显示器的商业化方面取得了良好的进展,无论是超大型显示器还是超小型可穿戴设备显示器。”

但是microLED面临一些挑战。例如,一台高清电视需要600万个单独的microLED。因此,在晶圆厂中,必须制造600万个microLED,然后将其转移到电视的底板上。使用microLED制造微型显示器也是一项艰巨的任务。

有多种制造microLED的方法。在一个流程中,第一步是在基板上制造各种microLED。为此,使用MOCVD在衬底上沉积GaN或其他材料。

这是一个具有挑战性的过程。Veeco的Arif说:“缺陷和波长均匀性是其中的挑战。”

MOCVD的另一挑战是要在大量均匀密实的晶圆上产生高质量的外延生长。需要高的外延产量以减少显示器中像素坏点的可能性。

“在microLED器件级别,必须很好地控制外延工艺步骤,以确保没有限制产量的颗粒,凹坑和划痕,” KLA市场营销高级主管史蒂夫·希伯特(Steve Hiebert)说。“在线检查和计量对于Epi至关重要,以确保随后的高产量和均匀性。Epi之后,在microLED芯片形成时,控制图案缺陷对于高产量至关重要。一个主要的挑战是microLED芯片的小尺寸和复杂结构。对于microLED而言,这些尺寸比传统LED小一到两个数量级,从而推动了能够检测较小亚微米级缺陷的高灵敏度图案化晶圆检测。”

同时,在MOCVD步骤之后,所得到的结构是具有多个microLED的基板。然后,将单个microLED切成小块,进行测试,然后使用传质技术将其转移到背板上。有多种方法可以将microLED转移到背板上,所有这些都具有挑战性。

所有步骤都需要各种过程控制措施。Cyber​​Optics总裁兼首席执行官Subodh Kulkarni表示:“至关重要的是在整个过程的各个步骤中进行有效的检查和计量,以确保获得高产量。” “这六个关键步骤包括柔性电路的传入质量检查,焊膏检查,回流前和回流后阶段的自动化光学检查,LED裸片放置后的坐标测量以及最终测试。”

总而言之,microLED尚未准备就绪。该行业仍然需要更多的创新。

3D感应起飞垂直腔表面发射激光器(VCSEL)也是热门技术。甲VCSEL是基于半导体的激光二极管,从它的顶部表面垂直发射的光束,根据Finisar公司。

VCSEL是多层结构。有源区域夹在两个分布式布拉格反射器(DBR)反射镜之间。典型的VCSEL由60到70层组成。总结构厚度约为10um。

图1.典型的VCSEL截面图来源:II-VI Inc.

Veeco的Arif解释说:“您有一个DBR,它是底部反射镜,发光的有源区域和顶部反射镜。” “有源区发光。它多次被顶层和底层反弹。每次通过有源层时,都会放大。在某些时候,放大率是如此之高,以至于克服了镜子的反射率,并且发出了激光束。”

GaAs是用于VCSEL的广泛材料。“在典型的商业VCSEL结构中,人们利用了GaAs,铟镓砷化物(InGaAs),砷化镓磷化物(GaAsP)和铝镓砷化物(AlGaAs)等材料的组合,” Arif说。VCSEL有源区就是我们所说的多量子阱结构。它由被GaAs,AlGaAs或GaAsP量子势垒夹在中间的InGaAs量子阱组成。”

使用MOCVD来开发多层结构。CD控制和均匀性至关重要。另一个问题是成本。Aixtron的Schulte说:“我们的客户将面临越来越大的压力,要求降低这些高端设备(如VCSEL)的成本。”

VCSEL由霍尼韦尔于1996年商业化,用于计算机鼠标和其他PC外围设备。然后,在2004年,Finisar收购了Honeywell的VCSEL部门,并将该技术扩展到网络领域。一段时间以来,VCSEL被用作运营商级数据网络设备的光纤到铜缆接口中的光源。

VSCEL于2017年开始腾飞,当时Apple在iPhone X中集成了该组件。这为许多所谓的3D传感铺平了道路。

苹果的手机由使用VCSEL的三个传感器模块(点,照明器和接近度)组成。首先,根据LEDinside的说法,点投影仪会在物体上产生超过30,000点的红外光。光线从对象反射回以创建3D风景。根据LEDinside的说法,数据将传递到芯片上以识别面部进行身份验证,从而将手机解锁。

其他智能手机OEM厂商也在开发具有3D感应功能的手机。此外,VCSEL正在进入其他应用程序。隶属于联华电子新业务部门的III-V代工厂商Wavetek的CTO Linry说:“ VCSEL的未来应用可以应用于汽车,工业,游戏和军事领域。” “此外,正在为成像和显示应用开发一种新的微型VCSEL格式。”

Lin列出了VCSEL的许多新兴应用。其中:

汽车-LiDAR,车内感应工业—机器人技术,原子钟军事—陀螺仪系统游戏-AR / VR

与GaN配套使用GaN是MOCVD的另一个大市场。GaN是一种二元III-V材料,与硅相比,其击穿电场强度是其10倍,而电子数量是其两倍。

多年来,GaN已用于生产LED,功率半导体和RF器件。Lin说:“ GaN可以用于电子或光子学中。” “由于其高带隙,击穿场可能非常高。另一个特点是其高机动性。结果,功率管理中的GaN转换效率会非常高。射频应用频段也可能很高。”

每种产品类型使用不同的过程。在一个基于GaN的功率半导体流程中,氮化铝(AlN)薄层沉积在基板上。使用MOCVD,在AlN层上生长GaN层。在GaN层上形成源极,栅极和漏极。

对于MOCVD,GaN的一般挑战与磷化砷没有什么不同。在性能方面,诸如均匀性,材料质量,缺陷率,界面清晰度和背景掺杂剂浓度等至关重要。” Veeco的Arif说道。

GaN的RF版本正在无线网络的基站中兴起。在基站中,RF GaN专门用于功率放大器。但是基于GaN的功率放大器面临着现有技术的一些竞争。传统上,基站使用基于横向扩散的金属氧化物半导体(LDMOS)器件的RF功率放大器。

“碳化硅半导体上的GaN正在以前所未有的功率和效率使工程师和设计师摆脱硅的束缚。GaN通过利用更小的,更轻的设备来提高多种应用的系统性能,该设备具有高功率密度和高频率工作能力。随着5G革命的爆炸性增长,这是由数据速率和带宽要求的指数级增长推动的,碳化硅上的GaN是支持该技术的最佳材料。” Wolfspeed RF产品副总裁兼总经理Gerhard Wolf说。一家Cree公司。

此外,GaN还用于功率半导体。GaN基功率半导体与IGBT,功率MOSFET和SiC功率器件竞争。GaN通常与SiC相比。两者都是宽带隙材料,这意味着它们比IGBT和功率MOSFET等基于硅的器件更高效。

“在许多方面,GaN的潜力甚至比SiC还大。由于其在高频下的卓越性能,它非常适合于快速充电解决方案中的大批量应用。此外,它有可能集成到基于硅的技术中。” Lam Research战略行销董事总经理David Haynes说。

“但是,从技术角度来看,GaN的成熟度仍低于SiC。如果人们考虑使用GaN-on-silicon HEMT(高电子迁移率晶体管)技术,则由于硅上GaN MOCVD的生长质量问题,良率仍然是个问题。” “设备性能和可靠性也面临挑战。这些后来的因素与HEMT制造工艺密切相关。”

结论显然,MOCVD是一项至关重要的技术,它在许多方面都受到了雷达的关注。多年来,它主要与LED相关。现在,沉积技术为一些新兴应用铺平了道路。

与大多数设备市场一样,MOCVD供应商在2020年将面临充满挑战的商业环境。可以肯定的是,Aixtron,AMEC,Veeco以及其他公司可能会为新的和新兴的应用程序而战。比赛才刚刚开始。

来源:semiengineering